卓超群， 胡俊峰

(江西理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

0 引 言

近年來，隨著機(jī)電一體化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、材料科學(xué)等領(lǐng)域的迅速發(fā)展，仿生機(jī)器人受到了研究者們?cè)絹碓蕉嗟闹匾昜1～3]。而模仿水下生物游動(dòng)模式的水下機(jī)器人，如機(jī)器魚[4]、機(jī)器墨魚[5]、機(jī)器烏賊[6]、機(jī)器蟹[7]等，擁有突出的游動(dòng)能力，正受到越來越多的關(guān)注。其中，采用噴水推進(jìn)方式游動(dòng)的烏賊，通過自身外套膜結(jié)構(gòu)將腔室內(nèi)的水噴出，產(chǎn)生矢量推力，可實(shí)現(xiàn)高效、高速的運(yùn)動(dòng)，具有更高的仿生價(jià)值。

目前國(guó)內(nèi)外以烏賊為仿生對(duì)象,并模擬其外套膜結(jié)構(gòu)噴射推進(jìn)機(jī)制的噴射推進(jìn)裝置，難以實(shí)現(xiàn)大伸縮量變化。美國(guó)加州理工大學(xué)Thomas A M P等人[6]提出了一種通過產(chǎn)生渦流環(huán)來實(shí)現(xiàn)推進(jìn)的水下自動(dòng)潛器，這個(gè)仿生機(jī)器人[7]力來自于電機(jī)驅(qū)動(dòng)膜狀壁面產(chǎn)生振動(dòng)，從而進(jìn)行伸縮往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)和后退；美國(guó)科羅拉多州立大學(xué)的Krieg M等人[8]受烏賊外套膜噴射推進(jìn)的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種水下推進(jìn)器模型，致動(dòng)器為電動(dòng)機(jī)，傳動(dòng)部件為凸輪機(jī)構(gòu)；哈爾濱工業(yè)大學(xué)王揚(yáng)威、王振龍等人[9,10]模擬烏賊設(shè)計(jì)了一種噴射推進(jìn)裝置，最大收縮應(yīng)變8.8 %，最高游速58 mm/s。目前水下脈沖噴射式機(jī)器人仍然存在推進(jìn)力小、響應(yīng)速度慢，只能用于低速推進(jìn)等問題，需要設(shè)計(jì)具有更好仿生性能的脈沖噴射結(jié)構(gòu)。

本文受烏賊噴射推進(jìn)啟發(fā)，基于管狀折紙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種新型仿烏賊水下機(jī)器人。分析管狀折紙結(jié)構(gòu)的伸縮速度與運(yùn)動(dòng)速度之間的關(guān)系，根據(jù)功能原理建立了收縮速度與噴射推進(jìn)力之間的關(guān)系并制作了樣機(jī)，搭建了實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以說明所設(shè)計(jì)的水下機(jī)器人的可行性。

1 水下機(jī)器人設(shè)計(jì)

1.1 仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

烏賊結(jié)構(gòu)如圖1所示，烏賊的腹部為外套膜結(jié)構(gòu)包裹，內(nèi)部形成外套膜腔體，腔體結(jié)構(gòu)內(nèi)可以存儲(chǔ)一定的水量，通過外套膜結(jié)構(gòu)的柔性收縮，能夠?qū)⑶粌?nèi)水量從噴嘴噴出，從而獲得推進(jìn)動(dòng)力向前游動(dòng)；外套膜結(jié)構(gòu)伸展，腔內(nèi)形成的負(fù)壓將水從開口吸入，進(jìn)行儲(chǔ)水。仿烏賊水下機(jī)器人的設(shè)計(jì)靈感就是來源于烏賊的這種游動(dòng)方式。水下機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該機(jī)器人的推進(jìn)系統(tǒng)由管狀折紙結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器、單向閥、噴水口組成，其中，單向閥的功能是控制進(jìn)水口的開合，降低管狀折紙結(jié)構(gòu)在儲(chǔ)水階段的流量損失，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器可驅(qū)動(dòng)管狀折紙結(jié)構(gòu)進(jìn)行軸向伸縮運(yùn)動(dòng)。

圖1 仿烏賊水下機(jī)器人

如圖2(a)所示，為實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人脈沖推進(jìn)功能，可以將管狀折紙結(jié)構(gòu)的軸向收縮來實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)水—噴水—儲(chǔ)水—噴水。將平面折痕圖根據(jù)設(shè)計(jì)好的M1,M2,M3,M4山折痕和谷折痕依次折疊，其實(shí)際三維折疊結(jié)構(gòu)如圖2(b)所示，最后將折紙結(jié)構(gòu)表面均勻涂抹防水膠實(shí)現(xiàn)防水。如圖2(c)所示，折紙單元的伸張使得管狀折紙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生伸張，則管狀折紙結(jié)構(gòu)的腔內(nèi)體積增大；當(dāng)管狀折紙結(jié)受到來自端部的壓力時(shí)，折紙單元會(huì)通過折痕的折展產(chǎn)生壓縮，折紙單元的壓縮使得管狀折紙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓縮，則管狀折紙結(jié)構(gòu)的腔內(nèi)體積減小。管狀折紙結(jié)構(gòu)軸向兩端受力決定了管狀折紙結(jié)構(gòu)的折展程度和腔內(nèi)體積大小，因此，要想獲得不同的內(nèi)部腔室體積，除了改變管狀結(jié)構(gòu)的單元參數(shù)外，還可以通過施加不同的端部壓力來實(shí)現(xiàn)體積的變化。這就說明折紙單元在折展過程中會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部體積變化，所以管狀折紙結(jié)構(gòu)能通過折紙單元的折展變化來實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)水和噴水功能。

圖2 管狀折紙結(jié)構(gòu)

1.2 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

如圖3所示，將其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方體狀。在水下機(jī)器人未工作狀態(tài)下氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器為直線形，將它的內(nèi)部腔室設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形，該氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器主要由彈性基體、應(yīng)變限制層、導(dǎo)氣孔組成。氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器實(shí)際工作方式就是其內(nèi)部中心角度的變化，因此，本文利用應(yīng)變限制層與彈性基體材料之間的不同應(yīng)變差來實(shí)現(xiàn)，在充入一定量壓縮氣體時(shí)，軟體驅(qū)動(dòng)器發(fā)生彎曲，然后帶動(dòng)中間的折紙結(jié)構(gòu)向里壓縮完成噴水的過程，在泄壓時(shí)，由于軟體驅(qū)動(dòng)器本身為柔性材料，可以通過自身的彈性來恢復(fù)為直線形狀，并帶動(dòng)管狀折紙結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)向外伸長(zhǎng)的儲(chǔ)水動(dòng)作。

圖3 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器為多腔體型，利用硅膠的彈性特性來完成彈性基體和應(yīng)變限制層的制備，限制層包括固化的紙質(zhì)纖維，氣腔是由這2個(gè)結(jié)構(gòu)之間間隙所夾的空腔構(gòu)成。該多腔體型氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)分為2個(gè)階段，分別為進(jìn)氣階段和放氣階段，通過氣體對(duì)柔性材料內(nèi)壁的壓力作用使其產(chǎn)生彎曲變形。

2 性能分析

2.1 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器性能分析

為了研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器性能的影響，如圖4(a)所示，設(shè)驅(qū)動(dòng)器氣腔的彈性基體厚度為e，初始長(zhǎng)度為G1。力的作用下圓心角的變化為φ，曲率半徑為r，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器前半部分與后半部分長(zhǎng)度設(shè)為G2。形變后的收縮幅度角為ζ,ζ=G1-G2。

圖4 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器模型參數(shù)

驅(qū)動(dòng)器彎曲時(shí)的圓心角為

φ=G1/r

(1)

驅(qū)動(dòng)器的收縮幅度為

ζ=G1-2rsinφ/2=G1-2rsinG1/2r

(2)

由于氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器采用硅膠制成，其本身材料為不可壓縮的，所以，為了分析氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器的性能特點(diǎn)，采用Yeoh模型描述軟體驅(qū)動(dòng)器受力變形時(shí)的非線性力學(xué)行為。假設(shè)橡膠材料為各向同性和不可壓縮，基于應(yīng)力—應(yīng)變理論建立橡膠材料的本構(gòu)關(guān)系，變形能U可以表示為3個(gè)變形張量的函數(shù)

(3)

根據(jù)材料的不可壓縮性

(4)

式中I1，I2和I3為主不變量。λ1，λ2和λ3為空間3個(gè)方向上的形變，λ3=1，λ1=1/λ2。本文對(duì)氣腔受力進(jìn)行分析是僅考慮軟體驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生收縮趨勢(shì)的主要因素，所以將軟體驅(qū)動(dòng)器視為一維拉伸壓縮受力，即

(5)

基于Yeoh模型，采用典型的二項(xiàng)參數(shù)形式表示變形儲(chǔ)能函數(shù)

U=C1(I1-3)+C2(I1-3)2

=C1(λ1-1/λ1)+C2(λ1-1/λ1)2

(6)

式中C1、C2為彈性系數(shù)，C1=0.11和C2=0.02。彈性基體的內(nèi)應(yīng)力可表示為σ=dU/dλ，化簡(jiǎn)得

(7)

2.2 折紙結(jié)構(gòu)推進(jìn)力計(jì)算

由圖2可知管狀折紙結(jié)構(gòu)為可軸向伸縮結(jié)構(gòu)，為計(jì)算其體積變化時(shí)的推進(jìn)力，將該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為一端固定另一端可自由伸縮的腔體結(jié)構(gòu)，如圖5所示。自由移動(dòng)端在驅(qū)動(dòng)力的作用下進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)，完成吸水和推水的動(dòng)作，水流對(duì)它的反作用使其前進(jìn)，可表示為[11]

圖5 噴水推進(jìn)模型

F=μe·dm/dt

(8)

式中F為推力，μe為水流噴出速度，m為水上機(jī)器人與管狀折紙結(jié)構(gòu)儲(chǔ)存的水量的質(zhì)量總和。

水流噴射速度與水上機(jī)器人內(nèi)部水的質(zhì)量變化率有關(guān)

(9)

式中ρ為流體密度，V(t)為管狀折紙結(jié)構(gòu)內(nèi)部水的瞬時(shí)體積，S為噴水口截面面積。

將式(9)代入式(8)，推進(jìn)力為

(10)

為了計(jì)算管狀折紙結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)體積V(t)，將管狀折紙結(jié)構(gòu)分為N個(gè)折紙單元，單獨(dú)對(duì)折紙單元的體積進(jìn)行分析，其中,d為折紙單元的高度。分別計(jì)算V1,V2,V3和總體積V為[12]

V1=d×p2，V2=d×2pr/3，V3=d×2pr，

V=N×(V1+V2+V3)

(11)

設(shè)在一定時(shí)間內(nèi)d的變化量為Δd，由式(11)得管狀折紙結(jié)構(gòu)內(nèi)的水體積的變化量ΔV為

ΔV=N×Δd(p2+8pr/3)

(12)

其中脈沖噴射機(jī)構(gòu)工作時(shí)齒條所占用的水量應(yīng)減去，所用齒條的橫截面積為0.6 cm×0.4 cm。管狀折紙結(jié)構(gòu)變化過程中曲面變形帶來的流量損失較小，忽略不計(jì)，則實(shí)際水下機(jī)器人的內(nèi)部水量為

ΔV=N×Δd(p2+8pr/3-0.24)

(13)

管狀折紙結(jié)構(gòu)的收縮速度為v，折紙單元變化量Δd為

Δd=v×t/N

(14)

將式(14)代入式(10)可得噴射推進(jìn)力為

(15)

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1 氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器性能測(cè)試

搭建如圖6所示的實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，主要由多腔體型氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器、調(diào)壓閥、氣泵、電池、減壓過濾閥組成。軟體驅(qū)動(dòng)器的彎曲變形可以通過控制調(diào)壓閥進(jìn)出氣壓的不同來實(shí)現(xiàn)，如圖7所示。從圖中可看出，在充進(jìn)不同壓力值氣壓的情況下，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器會(huì)有不同程度的彎曲變形，其中心角可以在0°～180°之間變化，說明該氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器可以完成對(duì)管狀折紙結(jié)構(gòu)伸縮運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)。

圖6 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

圖7 軟體驅(qū)動(dòng)器性能測(cè)試

由圖8可知，軟體驅(qū)動(dòng)器在不同氣壓下的彎曲角度的實(shí)驗(yàn)值與理論值接近，并且隨著輸入氣壓的增加而增加，說明所建立的模型是正確的。

圖8 驅(qū)動(dòng)氣壓與氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器彎曲角度之間的關(guān)系

3.2 脈沖噴射推進(jìn)性能測(cè)試

搭建如圖9所示的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。

圖9 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

根據(jù)水下機(jī)器人的工作原理，將它的運(yùn)動(dòng)分成2個(gè)不同的工作方式，如圖10(a)所示，t1，t2為充入和放出的水下機(jī)器人壓力值。由氣泵產(chǎn)生方波氣壓信號(hào)，作為輸出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。將軟體驅(qū)動(dòng)器安裝在水下機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上，通過輸入和輸出不同壓力值的氣壓來實(shí)現(xiàn)折紙結(jié)構(gòu)的伸長(zhǎng)與壓縮運(yùn)動(dòng)，從而完成水下機(jī)器人游動(dòng)所需的推力。

利用高速攝像機(jī)拍攝水下機(jī)器人的游動(dòng)過程，再由視頻處理軟件得到不同時(shí)刻水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的路程，計(jì)算可得到水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度。對(duì)水下機(jī)器人施加驅(qū)動(dòng)氣壓為30 kPa,頻率為0.2 Hz,占空比為50 %的方波信號(hào)，其游動(dòng)的過程具體如下：當(dāng)t=0-2.5 s時(shí)，管狀折紙結(jié)構(gòu)整體收縮，將水流從端部出口噴出，其反作用力使水下機(jī)器人向前運(yùn)動(dòng)；當(dāng)t=2.5-5 s時(shí)，管狀折紙結(jié)構(gòu)整體伸長(zhǎng)，由于存在壓力差，水流從端部入口流入腔體內(nèi)部完成儲(chǔ)水。如圖10(b)所示，該實(shí)驗(yàn)為測(cè)量水下機(jī)器人的勻速運(yùn)動(dòng)，在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，機(jī)器人整體向前游動(dòng)10 cm，所經(jīng)過的時(shí)間為5 s， 因此，其平均速度為2 cm/s。說明該軟體驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的合理性，以及基于軟體驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的水下機(jī)器人的可行性。

分別測(cè)量對(duì)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器施加頻率為0.2 Hz、占空比為50 %、氣壓范圍為0～40 kPa，步長(zhǎng)為5 kPa的驅(qū)動(dòng)氣壓序列時(shí)水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度。如圖10(c)所示，水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度隨驅(qū)動(dòng)氣壓增大而增大，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)氣壓與水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系呈正比。

圖10 脈沖噴射推進(jìn)性能測(cè)試

4 結(jié) 論

仿烏賊結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)了一種基于氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器的水下機(jī)器人，該水下機(jī)器人主要由2個(gè)多腔體型氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器和管狀折紙結(jié)構(gòu)組成。通過分析管狀折紙結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)與水下機(jī)器人性能之間的關(guān)系，建立水下機(jī)器人的存儲(chǔ)水量模型。根據(jù)所設(shè)計(jì)的水下機(jī)器人，制作樣機(jī)并搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)水下機(jī)器人的性能進(jìn)行測(cè)試，說明了所設(shè)計(jì)的水下機(jī)器人的可行性，為水下機(jī)器人設(shè)計(jì)提供新的思路。